[논문 리뷰] Electroweak baryogenesis via bottom transport: complementarity between LHC and future lepton collider probes

Tanmoy Modak, Eibun Senaha|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 87인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 일반 두 히iggs 듀블렛 모형(g2HDM)에서 복소수 바텀 요카다 쿠퍼링(Im(ρbb) ≳ 0.058)에 의해 유도되는 전약력 대칭 깨짐에 의한 비대칭 빈도 생성을 조사하며, LHC와 향후 레프톤 충돌기에서의 보완적 탐지 방법을 제안한다. 연구는 LHC에서 300 GeV ≲ mA ≲ 450 GeV 범위에서 bg → bA → bZh 반응을 통해 명시적 Im(ρbb)를 탐지할 수 있음을 보여주며, 1 TeV에서의 국제 선형 충돌기(ILC)가 O(1) ab⁻¹ 광도를 갖는 경우, e⁺e⁻ → Z* → AH → 4b 및 6b 최종 상태를 통해 더 뛰어난 감도를 제공함을 보여준다. 특히 mA > 2mt 영역에서는 LHC의 감도가 떨어지므로 ILC의 탐지 능력이 유의미하다.

ABSTRACT

We study the complementarity between the Large Hadron Collider (LHC) and future lepton colliders in probing electroweak baryogenesis induced by an additional bottom Yukawa coupling $ ho_{bb}$. The context is general two Higgs doublet model (g2HDM) where such additional bottom Yukawa coupling can account for the observed baryon asymmetry of the Universe if $\mbox{Im}( ho_{bb}) \gtrsim 0.058$. We find that LHC would probe the nominal $\mbox{Im}( ho_{bb})$ required for baryogenesis to some extent via $bg o bA o bZh$ process if $300~\mbox{GeV}\lesssim m_A \lesssim 450$ GeV, where $A$ is the CP-odd scalar in g2HDM. We show that future electron positron collider such as International Linear Collider with $500$ GeV and 1 TeV collision energies may offer unique probe for the nominal $\mbox{Im}( ho_{bb})$ via $e^+ e^- o Z^* o A H$ process followed by $A,H o b \bar b$ decays in four $b$-jets signature. For complementarity we also study the resonant diHiggs productions, which may give an insight into strong first-order electroweak phase transition, via $e^+ e^- o Z^* o A H o A h h$ process in six $b$-jets signature. We find that 1 TeV collision energy with $\mathcal{O}(1)~ ext{ab}^{-1}$ integrated luminosity could offer an ideal environment for the discovery.

연구 동기 및 목표

• 일반 두 히iggs 듀블렛 모형(g2HDM)에서 복소수 바텀 요카다 쿠퍼링(Im(ρbb) ≳ 0.058)에 의해 유도되는 전약력 대칭 깨짐의 발견 가능성을 조사하는 것.
• 톱 요카다 쿠퍼링이 무시할 만큼 작은 경우, LHC가 bg → bA → bZh 과정을 통해 명시적 Im(ρbb)를 탐지할 수 있는 감도를 평가하는 것.
• 향후 레프톤 충돌기, 특히 국제 선형 충돌기(ILC)의 고유한 발견 가능성을 e⁺e⁻ → Z* → AH → 4b 및 6b 최종 상태를 통해 평가하는 것.
• 특히 mA > 2mt 영역에서 LHC와 ILC 간의 보완성이 가장 뛰어난 영역에서 바텀 요카다 쿠퍼링에 의해 유도되는 전약력 대칭 깨짐 메커니즘을 탐지하는 데의 보완성을 탐색하는 것.

제안 방법

• LHC에서 bg → bA → bZh 과정을 분석하며, 3개의 바텀 제트와 렙톤 쌍을 포함한 최종 상태에 중점을 두고, 파arton 수준의 단면적 계산과 검출기 시뮬레이션 가정을 사용한다.
• 향후 ILC 에너지(500 GeV 및 1 TeV)에서 e⁺e⁻ → Z* → AH 과정을 평가하며, 이후 A/H → b̄b 붕괴로 인해 4개의 바텀 제트 최종 상태가 발생한다.
• Z* → AH → Ahh를 통한 공진형 이중 히iggs 생성을 연구하여 6개의 바텀 제트 최종 상태를 얻고, 강한 1차 순서 전약력 대칭 깨짐 전이를 탐지한다.
• 전약력 정밀 관측, 히iggs 신호 강도, 전자 전기 dipole 모멘트(EDM) 제약 조건을 적용하여 타당한 매개변수 공간을 정의한다.
• LHC 및 ILC 시나리오 모두에서 신호의 의미와 배경 제거 능력을 추정하기 위해 몬테카를로 이벤트 생성 및 검출기 시뮬레이션(DELPHES)을 사용한다.
• 표준 모형 배경 추정과 신호 효율 계산을 기반으로 통계적 의미의 정도를 평가하며, 1 TeV ILC에서의 통합 광도가 O(1) ab⁻¹일 경우를 중심으로 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 mA ≲ 450 GeV 이며 ρtt ≈ 0일 경우, LHC에서 bg → bA → bZh 과정을 통해 명시적 Im(ρbb) = 0.058를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 LHC 감도가 떨어지는 mA > 2mt 영역에서, 1 TeV 중심 질량 에너지의 ILC가 동일한 Im(ρbb)를 탐지하는 데 있어 LHC와 비교해 어떤가?
• RQ3 ILC에서 e⁺e⁻ → Z* → AH → Ahh의 공진형 과정에 대해 6개의 바텀 제트 최종 상태에 대한 감도는 어떠한가? 강한 1차 순서 전약력 대칭 깨짐 전이를 탐지하는 데 기여할 수 있는가?
• RQ4 LHC와 ILC 간의 보완성이 바텀 요카다 쿠퍼링에 의해 유도되는 전약력 대칭 깨짐을 탐지하는 데 가장 효과적인 매개변수 공간은 어디인가?
• RQ5 LHC가 운동역학적 한계나 신호 강도 감소로 인해 민감도를 잃는 상황에서, ILC의 4b 및 6b 최종 상태 서명이 Im(ρbb)에 대해 고유한 탐지 수단이 될 수 있는가?

주요 결과

• LHC는 mA ≲ 450 GeV 이며 ρtt ≈ 0일 경우에만 명시적 Im(ρbb) = 0.058를 bg → bA → bZh 과정을 통해 탐지할 수 있으며, mA > 2mt가 되면 감도가 급격히 떨어진다.
• mA > 2mt 이며 ρtt가 무시할 수 있을 정도로 작은 경우, LHC의 Im(ρbb) = 0.058 탐지 의미는 크게 감소하여 이 영역에서는 효과적으로 기능하지 못한다.
• 1 TeV 중심 질량 에너지와 O(1) ab⁻¹ 통합 광도를 갖는 ILC는 e⁺e⁻ → Z* → AH → 4b에서 발생하는 4개의 바텀 제트 최종 상태를 고의미로 탐지할 수 있는 이상적인 환경을 제공한다.
• ILC는 e⁺e⁻ → Z* → AH → Ahh 과정에서 발생하는 6개의 바텀 제트 최종 상태도 탐지할 수 있으며, 이는 강한 1차 순서 전약력 대칭 깨짐 전이를 탐지하는 데 뛰어난 발견 가능성을 제공한다.
• ILC의 4b 및 6b 최종 상태 서명은 LHC와의 보완성 있는 고유한 탐지 수단을 제공하며, 특히 mA > 2mt의 운동역학적으로 도전적인 영역에서 유의미하다.
• LHC가 실패하는 mA > 2mt 및 ρtt ≈ 0 영역에서 LHC와 ILC의 보완성이 가장 뚜렷하며, 이 영역에서 ILC는 공진형 Z* → AH 생성을 통해 명시적 Im(ρbb) = 0.058를 탐지할 수 있다.